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MIKROSKOPIE SPECIAL Atomare Auflösung in der Schwerelosigkeit

Autor / Redakteur: PAUL HIX * / Gerd Kielburger

Mit einem speziell für den Einsatz auf der Internationalen Raumstation ISS entwickelten Rastersondenmikroskop sollen biologische und materialwissenschaftliche Proben in-situ untersucht werden, um in der Schwerelosigkeit Grundlagenforschung zu betreiben und neue Anwendungsgebiete zu erschließen.

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Die Nanotechnologie, eine der Schlüsseltechnologien des 21. Jahrhunderts, soll bald die Erde verlassen und auf der Internatio-nalen Raumstation ISS ansässig werden. Mit einem speziell hier-für entwickelten Rastersonden-mikroskop (SPM) sollen biologi-sche und materialwissenschaftli-che Proben in-situ untersucht werden, um in der Schwerelosig-keit Grundlagenforschung auf einer atomaren Skala zu betrei-ben und neue Anwendungsgebiete zu erschließen.In den letzten zwei Jahrzehnten hat sich an den Grenzen zwischen Physik, Chemie, Molekularbiologie und Materialwissenschaften ein interdisziplinäres Arbeitsfeld entwickelt, das sich mit der Erforschung von neuen Eigenschaften befasst, die erst im Bereich sehr kleiner Dimensionen auftreten: die Nanowissenschaften. Im Größenbereich von etwa einem halben bis hundert Nanometern entwickeln sich seit einigen Jahren verschiedenste Technologiefelder. Ziel ist es, durch Beherrschung des Aufbaus von Materie auf der Nanometerskala neuartige funktionelle Materialien und Systeme für vielfältige Produkte und Anwendungen zu realisieren.

Letztendlich will man nanometergroße Bausteine, sprich Atome oder Moleküle, dazu bringen, sich selber gezielt zu einer gewollten funktionellen Struktur zusammenzubauen. Um einen Eindruck davon zu bekommen, auf welch kleiner Dimension Materie hierbei untersucht und manipuliert wird, hier ein Vergleich: ein Atom verhält sich zu einem Fußball wie ein Sandkorn zur Erde.Die Natur selbst ist zugleich Vorbild und Ideengeber für Nanotechnologien. Man denke nur an die Wirkungsmechanismen, die im Extremfall an Einzelmoleküle im lebenden Körper gekoppelt sind, wie etwa Immunreaktionen. Exemplarisch sind auch komplexe natürliche Nanomaschinen wie Flagellen, die Antriebseinheiten von Bakterien, oder molekulare Baumaschinen wie die Ribosomen in menschlichen Zellen, die nach Ablesen der Instruktionen der Blaupause mRNA in der Lage sind, aus einzelnen Aminosäuren neue Proteine zu synthetisieren. Somit birgt die Beschäftigung mit Themen aus dem Blickwinkel der Nanoskala ein neues Potenzial für die Biotechnologie mit immensen zukünftigen Auswirkungen für die medizinischen und Biowissenschaften. Die technische Realisierung von nanoskaligen Verfahrensweisen aus der Natur stellt eine der zukünftigen Herausforderungen des neuen Feldes der Nanobionik dar.Das RastersondenmikroskopDie wichtigsten Werkzeuge zur Erforschung und Manipulation des Nanokosmos sind die so genannten Rastersondenmikroskope (englisch: Scanning Probe Microscope - SPM). Basierend auf der bahnbrechenden Erfindung des Rastertunnelmikroskops durch Gerd Binnig und Heinrich Rohrer, die 1986 dafür mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet worden sind, ist ein breites Spektrum von Geräten entwickelt worden. Ähnlich wie ein Plattenspieler tasten diese Sondenmikroskope mit einer sehr feinen Messspitze die Oberfläche einer Probe rasterförmig ab und erzeugen auf diese Weise ein Abbild mit bis zu milliardenfacher Vergrößerung. Dabei nutzen sie verschiedenste physikalische Eigenschaften wie etwa elektrostatische Abstoßung, Leitfähigkeit oder Magnetismus. Die wichtigsten Vertreter sind das Rasterkraftmikroskop (englisch: Atomic Force Microscope - AFM) und das Rastertunnelmikroskop (englisch: Scanning Tunneling Microscope - STM).Um das volle Potenzial der Nanowissenschaften auf allen technologischen Gebieten auszuschöpfen, ist es jedoch notwendig, diese Geräte experimentell in eine Vielzahl aktueller Forschungsbereiche einzubinden. Hierbei ist ein wichtiger Bereich, der für Nanowissenschaftler noch nicht erschlossen ist, die Schwerelosigkeit. Unter der Leitung von Prof. W. M. Heckl, Sprecher des Excellence Network NanoBioTechnology und Generaldirektor des Deutschen Museums, plant eine Kooperation von Wissenschaftlern aus München, Hannover und Florenz eine Reihe von Experimenten auf der Internationalen Raumstation ISS, die einen Anfangspunkt für die Nanowissenschaft in der Schwerelosigkeit markieren sollen. Nach Meinung der Experten wird die Nanotechnologie von zukünftigen ISS-Projekten profitieren. Insbesondere macht es Sinn, schwache Wechselwirkungen und Kräfte auf einer kleinen Skala zu untersuchen, deren Auswirkungen auf der Erde von den Einflüssen der Gravitation unterdrückt werden. Da weder Sedimentation noch Konvektion in der Schwerelosigkeit auftreten, ist es möglich, darunter liegende verborgene Prozesse zu beobachten und deren Effekte technologisch auszunutzen. Für Forschungszwecke ist hierbei in vielen dieser Fälle ein SPM das geeignete Werkzeug.SONOS - Mikroskopie in der ISSAus diesem Grund wurde an der Ludwig-Maximilians-Universität München unter dem Namen Sonos (Scanning Probe Microscope for Bio and Nanotechnology Onboard of the International Space Station ISS) ein Prototyp eines SPM für den Einsatz auf der Internationalen Raumstation entwickelt. Gefördert wurde das Projekt von der ESA und in Zusammenarbeit mit der Münchener Firma Kayser-Threde durchgeführt - einem Unternehmen, das sich auf die Entwicklung von Hochtechnologie für die Luft- und Raumfahrt spezialisiert hat. Die Hauptentwicklungsziele waren eine leichte Bedienbarkeit, einfacher Proben- und Spitzenwechsel sowie eine an die Schwerelosigkeit angepasste Schwingungsisolierung. Weitere Vorgaben waren außerdem minimaler Platzbedarf und ein geringes Gewicht. Basierend auf einem erprobten Laborgerät, das seit über zehn Jahren verwendet und weiterentwickelt wird, weist Sonos innovative Features wie etwa ein Vibrationsdämpfungssystem mit integrierter Arretierung, Elektromotoren und eine Probenkamera auf. Das Instrument, das mit dem Bayerischen Staatspreis 2005 ausgezeichnet worden ist, wird von der Erde aus ferngesteuert bedienbar sein; lediglich zum Proben- und Spitzenwechsel ist der Astronaut an Bord der ISS erforderlich. Durch eine Anpassung der jeweiligen Messkonfiguration an die experimentellen Bedürfnisse unterschiedlicher Proben wird es möglich sein, ein breites Forschungsspektrum abzudecken, von der Untersuchung von Nanobeschichtungen über die Erforschung zellulärer Prozesse in der Schwerelosigkeit bis hin zur genaueren Bestimmung der Newtonschen Gravitationskonstante.Ursprung des LebensDas erste geplante Experiment ist die Untersuchung von Nukleinsäurebasen in Hinblick auf den Ursprung des Lebens. Es wird vermutet, dass sich durch eine selbst organisierende Ablagerung von Ursuppe-Molekülen an einer Mineraloberfläche die größeren Bausteine des Lebens gebildet haben. Kurz gesagt, die Ursuppe schwappte auf einen Stein, trocknete aus und bildete dabei komplexe Molekülstrukturen. Durch eine stetige Wiederholung dieses Prozesses, etwa durch Gezeitenwirkung, ist es denkbar, dass sich auf diese Weise die ersten Proteine gebildet haben. Welchen Einfluss die Konvektion bzw. Sedimentation auf diesen Vorgang gehabt haben soll, wird nun untersucht. Es ist geplant, im Experiment die Selbstorganisation von DNA-Basen auf einer Graphitoberfläche in der Schwerelosigkeit zu erforschen. Dies soll Aufschluss über die grundlegenden Prozesse bei der Bildung von komplexen biologischen Molekülen bringen. Außerdem werden wir Erkenntnisse darüber erhalten, ob ähnliche Prozesse im Weltraum stattgefunden haben könnten, etwa auf einem Kometen oder Asteroiden, was darauf hindeuten könnte, dass das Leben auf der Erde außerirdischen Ursprungs ist.Züchtung von ProteinkristallenProteine dienen immer häufiger als Grundlage für Medikamente, zum Beispiel bei Wirkstoffgruppen, die erfolgreich gegen Krebs eingesetzt werden. Die biologische Funktion und Wirkungsweise eines Proteins hängt jedoch stark von seiner räumlichen Struktur ab. Für die Medikamententwicklung ist es daher notwendig, deren Aufbau und die Struktur möglichst genau zu erforschen. Dies geschieht häufig anhand speziell gezüchteter Proteinkristalle. Auf der ISS ist dies ein wichtiges Forschungsgebiet, da die Qualität der in Schwerelosigkeit erzeugten Kristalle sehr viel höher ist als bei der Züchtung auf der Erde, wo diese unter Einfluss der Gravitation leicht in sich zusammenbrechen beziehungsweise sich erst gar nicht züchten lassen. Unter der Leitung von Prof. Kolb von der Universität Hannover sollen nun mit dem Sonos-Gerät die Prozesse beim Kristallwachstum beobachtet und analysiert werden. Der Vergleich mit erdgebundenen Experimenten soll dann zu weiteren Einsichten in Kristallisationsprozesse auf einer molekularen Ebene führen. Dies wird zum einen dazu beitragen, durch Verbesserung der Kristallisationsbedingungen die Qualität von gezüchteten Proteinkristallen zu steigern. Zum anderen wird es möglich sein, dank einem tieferen Verständnis vom Aufbau, Bildungsprozess und der Funktion einzelner Proteine, neue Medikamente zu entwickeln, etwa gegen Krebs, Diabetes oder die Alzheimerkrankheit.Zelluläre RegenerationBei der Durchführung längerer Weltraummissionen ist der bei Astronauten auftretende Muskelschwund ein stark begrenzender Faktor. Bevor man eine Lösung für dieses Problem findet, ist z.B. eine bemannte Mission zum Mars undenkbar. Aus diesem Grund werden Prof. Francini und seine Mitarbeiter von der Universität Florenz im dritten Experiment die Auswirkungen des bioaktiven Lipids Sphingosin 1-Phosphat (S1P) auf Muskelzellen in Schwerelosigkeit untersuchen. Diese körpereigene Substanz, die im Plasma von verletzten Zellen vorkommt, trägt zum Heilungsprozess der verwundeten Stelle bei. Durch die Bestimmung der genauen Funktion dieses Lipids in der Schwerelosigkeit soll es möglich sein, ein Medikament gegen Muskelschwund zu entwickeln. Dieses würde nicht nur die maximale Aufenthaltsdauer von Astronauten im Weltall stark verlängern, sondern könnte auch medizinische Anwendung auf der Erde finden, wie etwa bei degenerativen Krankheiten oder Unfallverletzungen.Die atomare Zukunft auf der ISSDiese drei Versuche sollen einen Anstoß dazu geben, das Potenzial der Forschung auf atomarer Skala in der Schwerelosigkeit zu erschließen. Zwar kann der volle Umfang dieses Gebiets noch nicht überblickt werden. Durch den Aufbruch der Nanowissenschaften in die Schwerelosigkeit werden sich jedoch mit Sicherheit neue Forschungsgebiete mit vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten auftun. Darüber hinaus wird Forschung auf atomarer Skala in der Schwerelosigkeit grundlegende Erkenntnisse über physikalische, chemische und molekularbiologische Prozesse liefern. Unter anderem sollte es dadurch möglich sein, neue Erkenntnisse über das Leben auf der Erde und dessen Entstehung zu erlangen.HintergrundNanotechnologie benötigt MikroskopieDie Nanowissenschaft ist die Erforschung und Beherrschung von Phänomenen und Prozessen auf einer atomaren bis makro-molekularen Skala. Die Nanotechnologie ist die gezielte Manipulation von Materie auf einer atomaren bis makromolekularen Skala zur Herstellung von Strukturen und Systemen mit erwünschten Eigenschaften. Das Rastersondenmikroskop tastet mit einer sehr feinen Messspitze die Oberflä-che einer Probe rasterförmig ab und er-zeugt auf diese Weise ein Abbild mit bis zu milliardenfacher Vergrößerung.* Ludwig-Maximilians-Universität München, Sektion Kristallographie, AG Prof. Dr. W.M. Heckl, Theresienstr. 41 / II, 80333 München* Deutsches Museum, Museumsinsel 1, 80538 München

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